DE102016221369A1

DE102016221369A1 - Sensorelement zur Bestimmung von Partikeln in einem fluiden Medium

Info

Publication number: DE102016221369A1
Application number: DE102016221369.5A
Authority: DE
Inventors: Radoslav Rusanov; Niels Bode
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-03
Also published as: KR20180046884A; KR102418081B1

Abstract

Es wird ein Sensorelement (110) zur Bestimmung von Partikeln in einem fluiden Medium vorgeschlagen, welches insbesondere zum Einsatz in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs geeignet sein kann. Dieses umfasst mindestens ein Trägersubstrat (114), welches aus mindestens einem Halbleitermaterial hergestellt ist. Weiterhin umfasst das Sensorelement (110) mindestens zwei Messelektroden (116, 118). Das Sensorelement (110) weist weiterhin mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (124) auf, welche die Messelektroden (116, 118) von dem fluiden Medium trennt.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Sensorelemente zur Bestimmung von Partikeln in einem fluiden Medium bekannt. Insbesondere kann es sich hierbei um Partikelsensoren wie beispielsweise Rußpartikelsensoren handeln, welche zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, verwendet werden. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch grundsätzlich möglich.
Sensorelemente der genannten Art werden insbesondere im Rahmen der so genannten On-Board-Diagnostik zur Diagnose eines Zustands eines Dieselpartikelfilters eingesetzt. Insbesondere ist der Einsatz derartiger Sensorelemente durch eine verschärfte Abgasgesetzgebung bedingt, insbesondere im Pkw-Bereich. Dabei werden beispielsweise resistive Sensoren eingesetzt, welche auf der Ausbildung leitfähiger Rußpfade zwischen zwei Interdigitalelektroden (IDE) basieren. Beispielsweise kann eine Anstiegszeit eines Stroms beim Anlegen einer Spannung ein Maß für eine Rußkonzentration in einem Abgas sein. Der Sensor wird dabei in der Regel periodisch regeneriert, indem dieser beispielsweise durch ein integriertes Heizelement beheizt wird, wodurch Rußablagerungen abbrennen. Ein Beispiel für einen Aufbau derartiger Sensorelemente wird in T. Ochs et al.: Particulate Matter Sensor for On Board Diagnostics (OBD) of Diesel Particulate Filters (DPF), SAE Int. J. Fuels Lubr. vol. 3, issue 1, 04.12.2010, beschrieben.
Weiterhin sind beispielsweise aus DE 10 2010 029 575 A1 kapazitive Rußpartikel-Sensoren bekannt, welche einen durch mindestens zwei Elektroden gebildeten Kondensator umfassen und eine Information über die in dem Abgasstrom enthaltenen Partikel aus einem ersten Kapazitätswert und einem zweiten Kapazitätswert ermitteln. Beispielsweise kann eine Schutzschicht aus einem geeigneten Material auf die Aussparungen, in denen die Elektroden angeordnet sind, aufgelegt sein. Alternativ können die Elektroden auch von einer einstückigen Führung umschlossen sein, so dass die Elektroden dem Abgas nicht direkt ausgesetzt sind. Auch bei derartigen Sensorelementen ist in der Regel eine periodische Regeneration erforderlich. Hierzu können verschiedene Heizelemente eingesetzt werden. Beispielsweise sind in S. Semancik et al.: Microhotplate platforms for chemical sensor research, Sensors and Actuators B 77 (2001) 579-591, entsprechende Heizelemente bekannt.
Eine technische Herausforderung vieler Sensorelemente der genannten Art, welche insbesondere keramische Sensorelemente sein können und welche weiterhin offene Interdigital-Elektroden aufweisen können, besteht darin, dass das Sensorsignal des Sensorelements einer Empfindlichkeitsdrift über die Lebensdauer des Sensorelements hinweg ausgesetzt ist. Dies ist dadurch bedingt, dass Rußpartikel in der Regel anorganische Bestandteile enthalten, welche sich bei einer Regeneration verdichten und auf einer Sensoroberfläche, insbesondere auf den Interdigitalelektroden, haften bleiben können. Wünschenswert wären dementsprechend Sensorelemente, Sensorvorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Sensorelementen, welche die oben genannten Herausforderungen adressieren und welche insbesondere eine im Vergleich zu herkömmlichen Sensorelementen verringerte Empfindlichkeitsdrift über die Lebensdauer hinweg aufweisen und bewirken.
Offenbarung der Erfindung
Es werden dementsprechend ein Sensorelement, eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements, insbesondere eines erfindungsgemäßen Sensorelements, vorgeschlagen, welche diese Anforderungen vollständig oder teilweise erfüllen. So wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Sensorelement zur Bestimmung von Partikeln in einem fluiden Medium vorgeschlagen, insbesondere zur Bestimmung von Partikelkonzentrationen, welches insbesondere in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, eingesetzt werden kann. Auch andere Einsatzgebiete, beispielsweise in der industriellen Abgasreinigung, sind jedoch grundsätzlich möglich. Das Sensorelement kann insbesondere zur Bestimmung von Rußpartikeln, beispielsweise einem Rußanteil, in einem Abgas eingesetzt werden, beispielsweise einer Abgasreinigungsvorrichtung, z.B. einem Dieselpartikelfilter, nachgeschaltet. Auf diese Weise kann insbesondere eine Funktionalität des Dieselpartikelfilters überprüft werden.
Unter einem Sensorelement ist dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Messgröße zu erfassen, beispielsweise eine physikalische und/oder chemische Messgröße, und welche eingerichtet ist, um mindestens ein Sensorsignal, vorzugsweise ein elektrisches Sensorsignal, zu erzeugen. Bei dem fluiden Medium kann es sich grundsätzlich um eine beliebige Flüssigkeit und/oder ein beliebiges Gas handeln, vorzugsweise ein Abgas oder Abgasgemisch. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch grundsätzlich möglich.
Das Sensorelement umfasst mindestens ein Trägersubstrat. Unter einem Trägersubstrat ist dabei allgemein ein Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um eine mechanische Trägerfunktion bereitzustellen und um ein oder mehrere weitere Elemente zu haltern, zu stabilisieren oder zu positionieren. Das Trägersubstrat kann insbesondere, wie unten ausgeführt, ein Halbleiter-Trägersubstrat sein.
Das Trägersubstrat weist mindestens ein Halbleitermaterial auf, d.h. es ist mindestens aus einem Halbleitermaterial hergestellt. Insbesondere kann es sich dabei um ein anorganisches Halbleitermaterial handeln. Vorzugsweise wird, aus Gründen der Kosten und der Bearbeitbarkeit, Silicium bevorzugt. So kann das Trägersubstrat beispielsweise ganz oder teilweise aus einem Silicium-Wafer hergestellt sein. Weiterhin kann das Trägersubstrat ganz oder zumindest teilweise mit einer Abschlussschicht bedeckt sein, welche ein elektrisch isolierendes Material umfasst. Insbesondere kann das Trägersubstrat Silicium umfassen und die Abschlussschicht kann ein Siliciumoxid, beispielsweise Siliciumdioxid, bevorzugt SiO₂ umfassen. Die Abschlussschicht kann insbesondere dazu dienen, dass im Folgenden beschriebene Messelektroden auf dem Trägersubstrat nicht kurzgeschlossen werden.
Das Sensorelement umfasst weiterhin mindestens zwei Messelektroden. Unter Messelektroden sind dabei allgemein elektrisch leitfähige Elemente, insbesondere flächige Elemente, zu verstehen, welche mindestens eine elektrische Messgröße erfassen können, d.h. welche mit mindestens einem Strom und/oder mit mindestens einer Spannung beaufschlagbar sein können und/oder welche mindestens ein elektrisches Messsignal detektieren können. Wie unten noch näher ausgeführt, können die Messelektroden beispielsweise kammförmig ausgestaltet sein, mit jeweils mindestens einem Rückgrat und einer Mehrzahl von Elektrodenfingern, welche sich, vorzugsweise gerade, von dem Rückgrat aus erstrecken. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Das Sensorelement umfasst weiterhin mindestens eine elektrisch isolierende Schicht, welche die Messelektroden von dem fluiden Medium trennt. Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Schicht direkt oder indirekt auf die Messelektroden aufgebracht sein, so dass die elektrisch isolierende Schicht beispielsweise eine Oberfläche hin zu dem fluiden Medium, beispielsweise einem Messgasraum mit dem fluiden Medium, bildet. Beispielsweise kann das Sensorelement, wie aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, in einem Schutzrohr aufgenommen sein, welches in das fluide Medium, insbesondere in einen Messgasraum, beispielsweise einen Abgastrakt eines Kraftfahrzeugs, hineinragt. Die Messelektroden sind dabei ganz oder teilweise von der elektrisch isolierenden Schicht überzogen, so dass die Messelektroden beispielsweise nur über die elektrisch isolierende Schicht mit dem fluiden Medium in Verbindung stehen bzw. durch die elektrisch isolierende Schicht von dem fluiden Medium getrennt sind. Die elektrisch isolierende Schicht kann auch ganz oder teilweise zwischen den Messelektroden angeordnet sein, so dass auch die Messelektroden voneinander durch die elektrisch isolierende Schicht getrennt sind.
Die Messelektroden können insbesondere als Interdigitalelektroden ausgebildet sein. In diesem Sinne werden unter Interdigitalelektroden Elektroden mit einer Mehrzahl von Elektrodenfingern verstanden, beispielsweise im Sinne der oben genannten Kammelektroden, wobei die Elektrodenfinger der unterschiedlichen Elektroden ineinander eingreifen. So kann insbesondere eine Struktur entstehen, bei welcher, entlang einer Linie durch die Interdigitalelektroden, abwechselnd Elektrodenfinger einer Messelektrode und einer anderen Messelektrode angeordnet sind. Die Messelektroden können also, wie oben ausgeführt, insbesondere jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenfingern aufweisen, wobei die Elektrodenfinger der Messelektroden ineinander eingreifen.
Wie oben ausgeführt, ist das Trägersubstrat ganz oder teilweise aus mindestens einem Halbleitermaterial hergestellt. Insbesondere kann das Halbleitermaterial ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Silicium; Siliciumcarbid, insbesondere SiC; Galliumnitrid, insbesondere GaN; und Siliciumoxid, insbesondere Siliciumdioxid, besonders bevorzugt SiO₂. Das Sensorelement kann insbesondere ganz oder teilweise als Halbleiterchip ausgebildet sein. Insbesondere kann das Trägersubstrat ganz oder teilweise als Halbleiterchip ausgebildet sein, vorzugsweise als Halbleiterchip mit einer dreidimensionalen Struktur, beispielsweise der unten noch näher ausgeführten Rahmenstruktur.
Wie oben ausgeführt, weist das Sensorelement mindestens eine elektrisch isolierende Schicht auf, welche die Messelektroden von dem fluiden Medium trennt. Die elektrisch isolierende Schicht kann insbesondere mindestens ein Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliciumoxid, insbesondere SiO₂; SiN; Zirkoniumoxid, insbesondere ZrO; Aluminiumoxid, insbesondere A₂O₃; Siliciumcarbid; Siliciumnitrid; und SiCN.
Die Messelektroden können insbesondere mindestens ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen. Dieses elektrisch leitfähige Material kann insbesondere mindestens ein Metall umfassen, insbesondere Platin. Grundsätzlich ist jedoch auch eine andere Ausgestaltung möglich. So können die Messelektroden beispielsweise mindestens ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin; ein dotiertes Halbleitermaterial, insbesondere dotiertes Si; SiC; GaN.
Das Sensorelement kann insbesondere ganz oder teilweise in MEMS-Technologie hergestellt sein. Unter MEMS-Technologie wird dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Halbleitertechnologie verstanden, bei welcher eine dreidimensionale Struktur von Halbleiterbauelementen mit elektrischer Funktion durch entsprechende Halbleitertechniken hergestellt wird, beispielsweise Ätztechniken.
Das Sensorelement kann insbesondere einen Schichtaufbau aufweisen, wobei mehrere Schichten auf das Trägersubstrat aufgebracht sind. So können die Messelektroden beispielsweise durch mindestens eine weitere elektrisch isolierende Schicht von dem Trägersubstrat getrennt sein. In diesem Schichtaufbau sind also mindestens zwei elektrisch isolierende Schichten vorgesehen, nämlich mindestens eine elektrisch isolierende Schicht zwischen dem Trägersubstrat und den Messelektroden und mindestens eine weitere elektrisch isolierende Schicht, welche die Messelektroden von dem fluiden Medium trennt. Wie auch die letztere elektrisch isolierende Schicht, so kann auch die mindestens eine weitere elektrisch isolierende Schicht mindestens ein Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliciumoxid, insbesondere SiO₂; SiN; Zirkoniumoxid, insbesondere ZrO; Aluminiumoxid, insbesondere Al₂O₃; Siliciumcarbid; Siliciumnitrid; und SiCN.
Das Sensorelement kann weiterhin, zwischen dem Trägersubstrat und den Messelektroden, mindestens ein Heizelement aufweisen. Unter einem Heizelement ist dabei allgemein eine Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um das Sensorelement zu beheizen. Insbesondere kann das Heizelement ein elektrisches Heizelement sein, vorzugsweise ein Heizelement mit einem oder mehreren Heizwiderständen, beispielsweise einem Heizmäander.
Zwischen dem mindestens einen optionalen Heizelement und den Messelektroden einerseits sowie zwischen dem mindestens einen Heizelement und dem Trägersubstrat andererseits kann weiterhin jeweils mindestens eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet sein. Insbesondere kann es sich hierbei um mindestens eine elektrisch isolierende Schicht handeln, welche mindestens ein Material aufweist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliciumoxid, insbesondere SiO₂; SiN; Zirkoniumoxid, insbesondere ZrO; Aluminiumoxid, insbesondere Al₂O₃; Siliciumcarbid; Siliciumnitrid; und SiCN.
Die elektrisch isolierenden Schichten zwischen dem Heizelement einerseits und den Messelektroden bzw. dem Trägersubstrat können ganz oder teilweise identisch sein mit der oben genannten mindestens einen weiteren elektrisch isolierenden Schicht, welche zwischen dem Trägersubstrat und den Messelektroden angeordnet ist. In anderen Worten kann das mindestens eine Heizelement beispielsweise in die mindestens eine weitere elektrisch isolierende Schicht zwischen dem Trägersubstrat und den Messelektroden eingebettet sein. Das Trägersubstrat kann insbesondere eine dreidimensionale Trägerstruktur bilden. Insbesondere kann das Trägersubstrat einen Rahmen mit mindestens einem Fenster bilden, wobei das Fenster von einer Membran überspannt wird. Die Messelektroden können dann auf der Membran angeordnet sein. Die Membran kann beispielsweise ganz oder teilweise durch die mindestens eine weitere elektrisch isolierende Schicht gebildet werden und/oder diese mindestens eine weitere elektrisch isolierende Schicht umfassen, welche oben diskutiert wurde. Weiterhin kann das mindestens eine Heizelement ganz oder teilweise in die Membran integriert sein. Unter einer Membran ist dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein flächiges Element zu verstehen, beispielsweise ein dünnes Blättchen oder eine dünne Schicht, dessen Dicke um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 50 oder sogar mindestens einen Faktor 100 geringer ist als seine laterale Ausdehnung, beispielsweise sein Durchmesser oder sein Äquivalentdurchmesser in einer Ebene der Membran. Die Membran kann eben ausgestaltet sein oder auch gekrümmt. Die Membran kann starr oder auch flexibel ausgestaltet sein. Die Membran kann einschichtig oder auch mehrschichtig ausgebildet sein. Die Messelektroden können direkt oder indirekt auf der Membran angeordnet sein.
Die Membran kann, wie oben ausgeführt, ganz oder teilweise aus mindestens einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein. Insbesondere kann, wie oben ausgeführt, die Membran ganz oder teilweise durch die mindestens eine weitere elektrisch isolierende Schicht gebildet werden und/oder kann diese elektrisch isolierende Schicht ganz oder teilweise umfassen. Dementsprechend kann die Membran beispielsweise ganz oder teilweise aus mindestens einem Material hergestellt sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliciumoxid, insbesondere SiO₂; SiN; Zirkoniumoxid, insbesondere ZrO; Aluminiumoxid, insbesondere Al₂O₃; Siliciumcarbid; Siliciumnitrid; und SiCN.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung von Partikeln in einem fluiden Medium vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung kann wiederum, wie oben ausgeführt, insbesondere für den Einsatz in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes Sensorelement, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen. Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung mindestens ein Trägerelement, wobei das Sensorelement mit dem Trägerelement verbunden ist. Beispielsweise kann das Sensorelement stoffschlüssig mit dem Trägerelement verbunden sein. Beispielsweise kann das Trägerelement mindestens eine Vertiefung und/oder eine Aussparung und/oder eine andere Form von Aufnahme aufweisen, wobei das Sensorelement ganz oder teilweise in die Vertiefung und/oder die Aufnahme eingebracht ist, derart, dass eine Messoberfläche des Sensorelements frei bleibt und mit dem fluiden Medium beaufschlagbar ist. Beispielsweise kann das Sensorelement stoffschlüssig mit dem Trägerelement verbunden sein. Beispielsweise kann das Sensorelement ganz oder teilweise in die Vertiefung und/oder in die Aufnahme eingeklebt sein.
Das Trägerelement kann insbesondere eine Mehrzahl von elektrischen Zuleitungen aufweisen. Die elektrischen Zuleitungen können mit den Messelektroden verbunden sein, insbesondere durch Drahtbonden. Jeder der Messelektroden können beispielsweise eine oder mehrere der Zuleitungen zugeordnet sein. Beispielsweise kann jede der Messelektroden mit mindestens zwei elektrischen Zuleitungen verbunden sein, so dass eine Vierpunktmessung möglich ist.
Das Trägerelement kann insbesondere ganz oder teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein. Insbesondere kann es sich bei diesem elektrisch isolierenden Material um ein keramisches Material handeln und/oder ein Kunststoffmaterial. Auch ein Verbund an elektrisch isolierenden Materialien ist grundsätzlich möglich.
Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens eine Ansteuerung aufweisen, welche mit dem Sensorelement verbunden ist, beispielsweise über die elektrischen Zuleitungen. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung mindestens eine Kapazitätsmessvorrichtung aufweisen, wobei die Kapazitätsmessvorrichtung eingerichtet sein kann, um eine Kapazität eines die Messelektroden umfassenden Kondensators zu erfassen und daraus mindestens eine Messgröße zu generieren. Die Kapazitätsmessvorrichtung kann weiterhin eingerichtet sein, um aus der Messgröße auf Partikel in dem fluiden Medium, beispielsweise eine Partikelkonzentration, zu schließen, insbesondere auf einen Partikelanteil und beispielsweise einen Rußanteil in einem Abgas eines Kraftfahrzeugs. Zu diesem Zweck kann die Messgröße beispielsweise eine zeitliche Veränderung der Kapazität, bedingt durch eine Rußanlagerung, umfassen. Auch andere Messgrößen lassen sich grundsätzlich generieren.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Bestimmung von Partikeln in einem fluiden Medium vorgeschlagen, insbesondere zum Einsatz in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, welche vorzugsweise in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden. Auch eine andere Reihenfolge ist jedoch grundsätzlich möglich. Weiterhin ist es auch möglich, dass einer oder mehrere der Verfahrensschritte wiederholt durchgeführt werden. Zudem ist es möglich, dass zwei oder mehr oder sogar alle der Verfahrensschritte zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann weiterhin zusätzliche Verfahrensschritte umfassen, welche nicht genannt sind.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Bereitstellen mindestens eines Trägersubstrats, insbesondere eines Trägersubstrats mit mindestens einer isolierenden Oberfläche, wobei das Trägersubstrat aus mindestens einem Halbleitermaterial hergestellt ist;
- direktes oder indirektes Aufbringen mindestens zweier Messelektroden auf das Trägersubstrat; und
- Aufbringen mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht auf die Messelektroden, wobei die elektrisch isolierende Schicht die Messelektroden von dem fluiden Medium trennt.

Bei dem Verfahren können insbesondere in der Halbleitertechnologie übliche Techniken verwendet werden. So können beispielsweise zum Aufbringen und/oder Strukturieren der Messelektroden Verfahren wie Sputtern, Aufdampfen oder ähnliche in der Halbleitertechnik übliche Techniken verwendet werden. Für die Strukturierung können beispielsweise lithographische Techniken und/oder Schattenmasken-Techniken eingesetzt werden. Auch für das Aufbringen der mindestens einen elektrisch isolierenden Schicht können entsprechende Verfahren eingesetzt werden, beispielsweise reaktives Sputtern. Auch andere Verfahren sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Das Verfahren kann weiterhin folgenden Verfahrensschritt umfassen:

- Aufbringen mindestens einer weiteren elektrisch isolierenden Schicht auf das Trägersubstrat, wobei die Messelektroden direkt oder indirekt auf die weitere elektrisch isolierende Schicht aufgebracht werden.

Das Verfahren kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass weiterhin ein Fenster in dem Trägersubstrat hergestellt wird. Beispielsweise kann dieses Fenster durch ein Ätzverfahren, beispielsweise ein Trockenätzverfahren und/oder ein nasschemisches Ätzverfahren, erzeugt werden. Das Trägersubstrat kann insbesondere dementsprechend einen Rahmen mit dem mindestens einen Fenster bilden, wobei das Fenster von einer Membran überspannt wird, wobei die Messelektroden auf der Membran angeordnet werden. Beispielsweise kann, wie oben ausgeführt, zu diesem Zweck zunächst die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht auf das Trägersubstrat aufgebracht werden, und anschließend kann der Rahmen derart in das Trägersubstrat geätzt werden, dass innerhalb des Fensters das Trägersubstrat, bis hin zu der Membran, vollständig entfernt wird, so dass das Fenster lediglich noch von der Membran überspannt wird. Beispielsweise kann dieser Rahmen durch eine entsprechende Schattenmaske erzeugt werden, durch welche hindurch ein anisotropes Ätzen, beispielsweise ein Trockenätzen mit anisotropen Ionen, erfolgt, so dass ein Abtrag der nicht durch die Schattenmaske bedeckten Bereiche des Trägersubstrats bis hin zu der Membran erfolgt.
Das Verfahren kann insbesondere weiterhin folgenden Schritt umfassen:

- Aufbringen mindestens eines Heizelements auf das Trägersubstrat, wobei das Aufbringen direkt oder indirekt erfolgen kann, wobei die Messelektroden auf das Heizelement aufgebracht werden, direkt oder indirekt, wobei zwischen dem Heizelement und den Messelektroden sowie zwischen dem Heizelement und dem Trägersubstrat jeweils mindestens eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet wird. Wie oben ausgeführt, können diese elektrisch isolierenden Schichten, welche das Heizelement von den Messelektroden und von dem Trägersubstrat trennen, beispielsweise Bestandteil der mindestens einen oben genannten weiteren elektrisch isolierenden Schicht sein, welche zunächst auf das Trägersubstrat aufgebracht wird. So kann diese mindestens eine weitere elektrisch isolierende Schicht mehrere elektrisch isolierende Schichten umfassen.

Das vorgeschlagene Sensorelement, die Sensorvorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren der genannten Art zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere kann erfindungsgemäß eine Empfindlichkeitsdrift über eine Lebensdauer des Sensorelements deutlich reduziert werden im Vergleich zu herkömmlichen Sensorelementen, da eine sich eventuell auf dem Sensorelement bildende Verglasung infolge von anorganischen Anteilen im Ruß, welche sich bei einer Regeneration verdichten und auf der Sensoroberfläche haften bleiben, nicht mehr zum Ausfall von Elektrodenfläche führen. Aufgrund einer kapazitiven Auslese benötigen die Messelektroden insbesondere keinen direkten elektrischen Kontakt zu dem fluiden Medium und/oder den Partikeln, beispielsweise zu dem Ruß. Die Ruß-Ablagerung auf dem Sensorelement kann eine Kapazitätsänderung zwischen den Messelektroden, beispielsweise den Interdigitalelektroden, verursachen, welche wiederum ein Maß für die Partikelkonzentration ist. Dabei kann beispielsweise entweder ein Anstieg der Kapazität mit der Zeit, beispielsweise als Steigung, oder die Zeit bis zur Erreichung einer bestimmten Kapazitätsänderung als Maß für eine Partikelkonzentration und somit als Messgröße erfasst werden. Das Sensorelement kann beispielsweise mit einer Sensor-Steuereinheit (Sensor Control Unit, SCU) verbunden sein.
Das Sensorelement, insbesondere für den Einsatz zur Messung von Rußpartikeln, kann vollständig oder teilweise in der oben genannten MEMS-Technologie gefertigt sein, und seine Funktionsweise kann auf der Kapazitätsänderung zwischen den Messelektroden, beispielsweise den Interdigitalelektroden, basieren. Diese Kapazitätsänderung kann durch die Ablagerung von Partikeln, beispielsweise Rußpartikeln, auf der Sensoroberfläche verursacht werden. Die Messelektroden können aus mindestens einem leitfähigen Material auf einem mit mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckten Halbleiterwafer, beispielsweise einem Silicium-Wafer, hergestellt sein. Die Messelektroden können beispielsweise durch eine dünne elektrisch isolierende Schicht, beispielsweise SiO₂ und/oder SiN, passiviert werden, so dass diese keinen elektrischen Kontakt zu dem fluiden Medium und/oder den Partikeln, beispielsweise zu den Rußpartikeln, haben. Dadurch haben anorganische Ablagerungen auf der Sensoroberfläche in der Regel keinen negativen Einfluss auf die Empfindlichkeit des Sensorelements, da die Elektroden passiviert sein können und kapazitiv ausgelesen werden können.
Um die Ausbildung einer Kapazität zwischen den einzelnen Messelektroden und dem Trägersubstrat, beispielsweise dem Silicium-Substrat, zu verhindern, wird das Trägersubstrat vorzugsweise unterhalb der Messelektroden entfernt, dies kann, wie oben ausgeführt, beispielsweise durch die Bildung des Fensters erfolgen. So kann beispielsweise von der Rückseite aus mittels eines Trockenätzens (DRIE) und/oder eines nasschemischen Ätzens, beispielsweise mit KOH, ein entsprechender Ätzprozess erfolgen. Die genannte Kapazität würde die Gesamtkapazität des Sensorelements stark erhöhen und dadurch die Empfindlichkeit gegenüber kleinen Kapazitätsänderungen durch Partikelablagerung, beispielsweise Rußablagerung, reduzieren. Durch das Wegätzen des Trägersubstrats kann die Empfindlichkeit des Sensorelements erheblich gesteigert werden.
Durch das genannte optionale Entfernen des Substratmaterials unter den Messelektroden kann eine Membran entstehen, welche eine deutlich geringere thermische Masse aufweist als ein massiver Halbleiterchip, beispielsweise ein Silicium-Chip. Zudem kann diese Membran besser thermisch isoliert sein. Dadurch kann eine benötigte Heizleistung für das Erreichen einer Rußabbrand-Temperatur, insbesondere während eines Regenerationsprozesses, reduziert werden, und eine entsprechende Zeitkonstante kann deutlich geringer ausfallen als bei herkömmlichen Sensorelementen. Für diesen Zweck kann insbesondere ein Heizelement verwendet werden, welches direkt auf und/oder in die Membran integriert ist.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung optionaler Ausführungsbeispiele. Diese sind in den Figuren dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Figuren beschränkt.
Es zeigen:

1A und 1B eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements zur Erfassung von Partikeln in einem fluiden Medium, insbesondere zur Erfassung von Rußpartikeln in einem Abgas, in Draufsicht (1A) und in einer Schnittdarstellung (1B);
2A und 2B ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements in Draufsicht ( 2A) und in Schnittdarstellung (2B); und
3 ein Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung in Draufsicht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den 1A (Draufsicht) und 1B (Schnittdarstellung) ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 zur Bestimmung von Partikeln in einem fluiden Medium dargestellt. Insbesondere kann es sich hierbei um ein Sensorelement 110 zur Bestimmung eines Partikelanteils, beispielsweise eines Rußpartikelanteils, in einem Gas, beispielsweise einem Abgas eines Kraftfahrzeugs, handeln. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Volumenanteil und/oder ein Massenanteil der Partikel in dem Gas bestimmt werden.
Das Sensorelement weist eine Messoberfläche 112 auf, über welche das Sensorelement 110 mit dem fluiden Medium beaufschlagbar ist. Weiterhin weist das Sensorelement 110 ein Trägersubstrat 114 auf, welches beispielsweise in der Schnittdarstellung gemäß 1B erkennbar ist. Das Trägersubstrat 114 kann beispielsweise ganz oder teilweise aus Silicium hergestellt sein. So kann beispielsweise das gesamte Sensorelement 110 als Halbleiterbauelement, insbesondere als Halbleiterchip, hergestellt sein. Insbesondere kann dieses in MEMS-Technologie hergestellt sein.
Das Sensorelement umfasst weiterhin Messelektroden 116, 118, welche als kammförmige Elektroden ausgestaltet sind und welche jeweils ein Elektrodenrückgrat 120 und eine Mehrzahl von Elektrodenfingern 122 aufweisen. Die Elektrodenfinger 122 erstrecken sich abwechselnd von den Rückgraten 120 aus zur jeweils anderen Messelektrode hin, so dass die Elektrodenfinger 122 ineinander eingreifen. Die Messelektroden 116, 118 bilden so Interdigitalelektroden (IDE).
Die Messelektroden 116, 118 sind von dem fluiden Medium durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht 124 getrennt. Weiterhin sind die Messelektroden 116, 118 nicht unmittelbar auf das Trägersubstrat 114 aufgebracht, sondern vorzugsweise von diesem durch mindestens eine weitere elektrisch isolierende Schicht 126 getrennt und elektrisch isoliert. In die mindestens eine weitere elektrisch isolierende Schicht 126 kann beispielsweise mindestens ein Heizelement 128 eingebettet sein, welches in 1B lediglich angedeutet ist.
Mittels des in den 1A und 1B dargestellten Sensorelements 110 kann beispielsweise eine Detektion von Rußpartikeln im Abgas von Diesel- und/oder Benzinfahrzeugen erfolgen. Weiterhin kann eine Quantifizierung der Konzentration dieser Partikel, beispielsweise in einer Einheit von mg/m³ und/oder in einer Anzahl/m³, gemessen werden. Das beschriebene Sensorelement 110 kann hierzu beispielsweise in einem entsprechenden Gehäuse verpackt werden, beispielsweise einem Schutzrohr, in dem und/oder an welches das Abgasrohr eines Kraftfahrzeugs so angebracht werden kann, dass das Abgas mit den darin enthaltenen Rußpartikeln an die Messoberfläche 112, auch als Sensoroberfläche bezeichnet, strömen kann. Dabei können sich einige der Rußpartikel auf der Messoberfläche 112 ablagern. Diese verursachen eine Änderung einer Kapazität und/oder Impedanz des Sensorelements 110, welche als Messsignal dienen kann. Die zeitliche Änderung dieser Kapazität und/oder Impedanz, beispielsweise einer Steigung und/oder einer Zeit bis zum Erreichen einer bestimmten Kapazitätsänderung, kann als Maß für eine Rußkonzentration und/oder allgemein für eine Partikelkonzentration verwendet werden.
In der in 1A gezeigten schematischen Draufsicht des Sensorelements 110 kann sich zwischen den elektrisch voneinander isolierten Interdigitalelektroden 116, 118 eine Kapazität ausbilden, welche sich ändert, sobald eine gewisse Menge an Partikeln, beispielsweise Ruß, sich auf der Messoberfläche 112 ablagert. Diese Änderung kann umso schneller erfolgen, je schneller sich Ruß auf der Oberfläche ablagert, was mit der Rußkonzentration zusammenhängen kann.
Eine Besonderheit des vorgeschlagenen Sensorelements 110 kann insbesondere in einer Fertigung in MEMS-Technologie liegen. Hierdurch lassen sich kleinere Sensorelemente bei geringeren Herstellungskosten erzeugen. Durch die Strukturierung der Messelektroden 116, 118, welche beispielsweise fotolithografisch erfolgen kann, können kleinere und deutlich präziser ausgebildete Strukturen erzielt werden. Hierdurch kann sich die Sensitivität und Genauigkeit des Sensorelements 110 erhöhen lassen im Vergleich zu herkömmlichen Sensorelementen. Das Sensorelement 110 ist beispielsweise auf einem Silicium-Substrat als Trägersubstrat 114 hergestellt. Hierzu kann beispielsweise zunächst die weitere isolierende Schicht 126 auf das Trägersubstrat 114 aufgebracht werden, beispielsweise in Form einer SiO₂-Schicht und/oder in Form einer SiN-Schicht. Dieser Prozess kann auch mehrere Zwischenschritte umfassen, welche auch die Aufbringung des Heizelements 128 umfassen können, welches beispielsweise zwischen zwei dieser elektrisch isolierenden Schichten eingebettet werden kann. Als nächstes kann eine leitfähige Schicht, beispielsweise Platin, dotiertes Silicium, SiC und/oder GaN abgeschieden und, beispielsweise fotolithografisch, zu den Messelektroden 116, 118 strukturiert werden. Darauf wird dann die elektrisch isolierende Schicht 124 abgeschieden. Diese schützt die Messelektroden 116, 118 vor dem Abgas. Die Verwendung dieser elektrisch isolierenden Schicht 124 ist möglich, da aufgrund einer kapazitiven Auslese des Sensorelements 110 kein elektrischer Kontakt zwischen den Partikeln, beispielsweise dem Ruß, und den Messelektroden 116, 118 erforderlich ist.
Das Sensorelement 110 kann mit einer nicht dargestellten Ansteuerung verbunden werden. Diese Ansteuerung kann beispielsweise dafür sorgen, dass das Sensorelement 110 regelmäßig oder unregelmäßig regeneriert wird. Dabei kann mittels des integrierten optionalen Heizelements 128 das Sensorelement 110 auf eine Temperatur erhitzt werden, beispielsweise eine Temperatur von mindestens 650 °C. Dabei verbrennt der abgelagerte Ruß. Das integrierte Heizelement 128 kann, alternativ oder zusätzlich zu der in 1B gezeigten Einbettung, auch beispielsweise auf einer Rückseite und/oder auf der Vorderseite des Silicium-Substrats 114 aufgebracht werden. Es können hierfür beispielsweise Dünnschichten, insbesondere durch Abscheidung und/oder fotolithografische Strukturierung, und/oder Dickschichten, beispielsweise hergestellt durch Drucksieb-Platin, oder auch eine Kombination dieser beiden Verfahren verwendet werden. Eine besonders vorteilhafte Ausführung ist die Verwendung der folgenden Schichtabfolge auf einem Silicium-Substrat: isolierend, leitend, isolierend, leitend, isolierend. Die untere leitende Schicht kann als Heizelement strukturiert werden, und die obere leitende Schicht als Messelektroden. Diese Variante ist besonders kosteneffizient in Bezug auf die Fertigung derartiger Sensorelemente 110.
Ein besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Sensorelements besteht insbesondere auch in der Tatsache, dass anorganische Asche, welche beim Wegbrennen des Rußes entsteht und als eine Art Verglasung auf der Messoberfläche 112 des Sensorelements 110 verbleibt, im Gegensatz zu resistiven Sensorelementen nicht die Funktionsweise des Sensorelements 110 beeinträchtigt. Diese Asche und/oder Verglasung erhöht zwar grundsätzlich eine effektive Dicke der elektrisch isolierenden Schicht 124 und damit eine Startkapazität des Sensorelements 110, ohne Rußablagerung. Diese Veränderung des effektiven Dicke und/oder Startkapazität kann jedoch nach jedem Freibrennen neu gemessen werden, und es kann eine Kalibration des Sensorelements angepasst werden, so dass keine Verfälschung der Messergebnisse entsteht. Dieser Vorteil gilt für alle Varianten des hier vorgestellten kapazitiven Sensorelements 110.
In den 2A (Draufsicht) und 2B (Schnittdarstellung) ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 dargestellt, welche eine Abwandlung des in den 1A und 1B gezeigten Sensorelements 110 darstellt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß den 1A und 1B bildet das Trägersubstrat 114 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel jedoch einen Rahmen 130, welcher ein Fenster 132 umspannt, auf der der Messoberfläche 112 gegenüberliegenden Seite des Sensorelements 110. Dieses Fenster 132 kann beispielsweise rechteckig ausgestaltet sein. Grundsätzlich ist jedoch auch eine andere Ausgestaltung möglich. Das Fenster 132 wird überspannt von einer Membran 134, welche beispielsweise ganz oder teilweise aus der mindestens einen weiteren elektrisch isolierenden Schicht 126 gebildet wird. Die Messelektroden 116, 118, insbesondere die Elektrodenfinger 122, können beispielsweise auf einer dem Fenster 132 gegenüberliegenden Seite angeordnet sein, so dass sich das Fenster 132 beispielsweise unterhalb dieser Messelektroden 116, 118 befindet.
Die Membran 134 kann beispielsweise durch Ätzen des Trägersubstrats 114 von der Rückseite her erzeugt werden. Die Membran 134 kann die Interdigitalelektroden sowie optional einen Teil von Zuleitungen tragen. Hierdurch kann eine Ausbildung einer Kapazität zwischen den einzelnen Elektroden 116, 118 und dem Silicium-Substrat 114 verhindert werden. Eine derartige Kapazität könnte die Gesamtkapazität des Sensorelements 114 stark erhöhen und damit die Empfindlichkeit gegenüber kleinen Kapazitätsänderungen durch Rußablagerung reduzieren. Durch das Wegätzen des Substrats und das Freiätzen des Fensters 132 kann die Empfindlichkeit des Sensorelements 110 somit erheblich gesteigert werden.
Die durch das oben beschriebene Entfernen des Trägersubstrats 114 unter den Interdigitalelektroden entstehende Membran 134 hat zudem in der Regel eine deutlich geringere thermische Masse im Vergleich zu einem massiven Halbleiterchip, beispielsweise einem massiven Silicium-Chip. Zudem ist diese Membran 134 im Vergleich zu letzteren Elementen deutlich besser thermisch isoliert. Hierdurch wird eine benötigte Heizleistung für das Erreichen einer Rußabbrand-Temperatur während einer Regenerationsphase reduziert, und eine entsprechende Zeitkonstante ist ebenso deutlich verringert. Besonders letzteres ist für die Leistungsfähigkeit des Sensorelements vorteilhaft, da hierdurch seine Totzeit reduziert werden kann, d.h. die Zeit, in welcher das Sensorelement das Abgas nicht überwacht. Die geringere benötigte Heizleistung macht somit die Verwendung eines Heizelements 128, welches direkt auf der und/oder in die Membran 134 integriert ist, besonders vorteilhaft.
Die Tatsache, dass vorzugsweise eine Kapazitätsänderung bereits ab dem ersten abgelagerten Partikel auftritt und nicht, wie beispielsweise bei einem resistiven Sensor, erst nach der Ausbildung von vollständig leitfähigen Rußpfaden zwischen den Messelektroden 116, 118, führt weiterhin dazu, dass das hier vorgeschlagene Sensorelement 110 in der Regel keine oder lediglich eine geringe Totzeit zwischen dem Anfang einer Ablagerung und dem Anfang der Messung aufweist. Dies ist in der praktischen Anwendung besonders vorteilhaft. Zudem führt eine kapazitive Auswertung zusätzlich zu einer erhöhten Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Sensorelements 110, was in Zeiten sich stetig verschärfender Abgasnormen besonders wichtig ist, da aufgrund der niedrigen Konzentration der Partikel, insbesondere der Rußpartikel, im fluiden Medium, insbesondere im Abgas, auch die entsprechenden Sensorelemente stets empfindlicher werden müssen, um diese nachzuweisen.
Die Sensorelemente 110 beispielsweise gemäß den Ausführungsformen in den 1A, 1B oder 2A, 2B, können mit weiteren Komponenten zu einer Sensorvorrichtung kombiniert werden. So können beispielsweise, was nicht dargestellt wird, eine oder mehrere Ansteuerungen mit den Sensorelementen 110 verbunden werden. Beispielsweise können eine oder mehrere Kapazitätsmessvorrichtungen, welche einfache Kapazitäten und/oder komplexe Widerstandsmessungen vornehmen können, mit dem Sensorelement 110 verbunden werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine einfache Kapazität und/oder eine Impedanz erfasst werden. Weiterhin kann eine entsprechende Sensorvorrichtung mindestens ein Trägerelement aufweisen, in welches das Sensorelement 110 integriert wird. Dies ist exemplarisch am Beispiel des Trägerelements gemäß 1A und 1B in einem Ausführungsbeispiel gemäß 3 in Draufsicht gezeigt. Die dort dargestellte Sensorvorrichtung 136 umfasst ein Sensorelement 110 sowie weiterhin ein Trägerelement 138. Das Trägerelement 138 kann beispielsweise mindestens eine Vertiefung 140 und/oder eine andere Form von Aufnahme aufweisen, in welche das Sensorelement 110 ganz oder teilweise eingelassen ist. Beispielsweise kann das Sensorelement 110 ganz oder teilweise in die Vertiefung 140 eingeklebt sein, derart, dass die Messoberfläche 112 frei bleibt.
Das Trägerelement 138 kann weiterhin eine Mehrzahl an elektrischen Zuleitungen 142 aufweisen. Diese können, beispielsweise mittels Bonddrähten 144, elektrisch mit den Messelektroden 116, 118, insbesondere deren Rückgraten 120, welche als Zuleitungen fungieren können, verbunden sein.
Das Trägerelement 138 kann beispielsweise als keramisches Plättchen ausgestaltet sein. Zum stoffschlüssigen Verbinden des Sensorelements 110 mit dem Trägerelement 138 kann beispielsweise ein hochtemperaturbeständiger Klebstoff und/oder Zement verwendet werden. Auf der Keramik des Trägerelements 138 können die elektrischen Zuleitungen 142 als Leiterbahnen realisiert werden, beispielsweise mit einer Siebdruck-Technik, z.B. mit einer Platin-Siebdruck-Technik. Diese elektrischen Zuleitungen können über die Bonddrähte 144 mit den Zuleitungen auf dem Sensorchip 110 verbunden sein. Der Keramik-Träger, mit dem daran befestigten Sensorelement 110, kann beispielsweise in einem Schutzrohr an den Abgasstrang angebunden werden und beispielsweise über Kabelzuleitungen mit einem Sensor-Steuermodul als Ansteuerung verbunden werden.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind genau zwei elektrische Zuleitungen 142 vorgesehen. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. So können beispielsweise in einer weiteren Ausführung der Erfindung auf dem Trägerelement 138, beispielsweise dem Keramik-Element, für jede der zwei Messelektroden 116, 118 jeweils zwei elektrische Zuleitungen 142 realisiert sein, welche jeweils mit eigenen Bonddrähten mit der jeweiligen Messelektrode 116 bzw. 118 verbunden sein können. Dadurch kann eine unabhängige Messung der Spannung und des Stromes, beispielsweise im Rahmen einer Vier-Punkt-Messung, möglich sein, ohne dass ein Spannungsabfall in den Zuleitungen eine Messung verfälscht. Hierdurch kann die Genauigkeit einer Kapazitätsmessung erhöht werden.
Grundsätzlich sind eine Vielzahl an Techniken realisierbar, um das Sensorelement 110 mit dem Trägerelement 138 mechanisch und/oder elektrisch zu verbinden. So können beispielsweise auch andere Aufbau- und Verbindungstechniken eingesetzt werden. Beispielsweise können leitfähige Kleber, Wafer-Durchkontaktierungen, Flip-Chip-Technologien oder ähnliche Technologien eingesetzt werden.
Allgemein wird noch darauf hingewiesen, dass das Sensorelement 110 in den dargestellten Ausführungsbeispielen exemplarisch ausschließlich der Partikelmessung dient. Dies ist nicht notwendigerweise der Fall. So können, zusätzlich, eine oder mehrere weitere Funktionen in das Sensorelement 110 integriert sein. Diese können ebenfalls nach außen verdrahtet oder elektrisch angebunden werden. So lassen sich beispielsweise Abgas-Flussgeschwindigkeitsmessungen realisieren. Alternativ oder zusätzlich lassen sich Temperaturmessungen umsetzen. Wiederum alternativ oder zusätzlich lassen sich auch Gassensoren auf diese Weise realisieren. Insbesondere lassen sich durch zusätzliche Funktionen, insbesondere zusätzliche Sensorfunktionen, auch Querempfindlichkeiten des Partikelsensors reduzieren.
Das Sensorelement 110 der beschriebenen Art oder gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung lassen sich allgemein insbesondere als On-Board-Diagnose-Sensoren einsetzen, insbesondere für die Überwachung einer Funktionalität von Dieselpartikelfiltern im PKW und/oder im NKW. Weiterhin lassen sich derartige Sensorelemente 110 insbesondere auch für die Messung von Staubkonzentrationen einsetzen, beispielsweise im industriellen Umfeld. Auch andere Anwendungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010029575 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

T. Ochs et al.: Particulate Matter Sensor for On Board Diagnostics (OBD) of Diesel Particulate Filters (DPF), SAE Int. J. Fuels Lubr. vol. 3, issue 1, 04.12.2010 [0002]
S. Semancik et al.: Microhotplate platforms for chemical sensor research, Sensors and Actuators B 77 (2001) 579-591 [0003]

Claims

Sensorelement (110) zur Bestimmung von Partikeln in einem fluiden Medium, insbesondere zum Einsatz in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens ein Trägersubstrat (114), wobei das Trägersubstrat (114) aus mindestens einem Halbleitermaterial hergestellt ist, weiterhin umfassend mindestens zwei Messelektroden (116, 118), wobei das Sensorelement (110) weiterhin mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (124) aufweist, wobei die elektrisch isolierende Schicht (124) die Messelektroden (116, 118) von dem fluiden Medium trennt.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Messelektroden (116, 118) als Interdigitalelektroden ausgebildet sind, wobei die Messelektroden (116, 118) jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenfingern aufweisen, wobei die Elektrodenfinger der Messelektroden (116, 118) ineinander eingreifen.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Silicium, SiC, GaN und SiO₂.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) als Halbleiterchip ausgebildet ist.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Messelektroden (116, 118) durch mindestens eine weitere elektrisch isolierende Schicht (126) von dem Trägersubstrat (114) getrennt sind.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägersubstrat (114) einen Rahmen (130) mit mindestens einem Fenster (132) bildet, wobei das Fenster (132) von einer Membran (134) überspannt wird, wobei die Messelektroden (116, 118) auf der Membran (134) angeordnet sind.
Sensorvorrichtung (136) zur Bestimmung von Partikeln in einem fluiden Medium, insbesondere zum Einsatz in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens ein Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens ein Trägerelement (138), wobei das Sensorelement (110) mit dem Trägerelement (138) verbunden ist.
Sensorvorrichtung (136) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Trägerelement (138) mindestens eine Vertiefung (140) aufweist, wobei das Sensorelement (110) ganz oder teilweise in die Vertiefung (140) eingebracht ist, derart, dass eine Messoberfläche des Sensorelements (110) frei bleibt.
Sensorvorrichtung (136) nach einem der vorhergehenden, eine Sensorvorrichtung (136) betreffenden Ansprüche, wobei das Trägerelement (138) eine Mehrzahl an elektrischen Zuleitungen (142) aufweist, wobei die elektrischen Zuleitungen (142) mit den Messelektroden (116, 118) verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (110) zur Bestimmung von Partikeln in einem fluiden Medium, insbesondere zum Einsatz in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen mindestens eines Trägersubstrats (114), wobei das Trägersubstrat (114) aus mindestens einem Halbleitermaterial hergestellt ist; - direktes oder indirektes Aufbringen mindestens zweier Messelektroden (116, 118) auf das Trägersubstrat (114); - Aufbringen mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht (124) auf die Messelektroden (116, 118), wobei die elektrisch isolierende Schicht (124) die Messelektroden (116, 118) von dem fluiden Medium trennt.